石墨烯气凝胶纤维及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯气凝胶纤维及其制备方法和用途。将水溶性海藻酸盐与氧化石墨烯混合液混合得到氧化石墨烯纺丝液，然后进行纺丝。本发明专利技术的方法可以获得拉伸强度较高的石墨烯气凝胶纤维。

Graphene aerogel fibers and their preparation methods and uses

【技术实现步骤摘要】
石墨烯气凝胶纤维及其制备方法和用途
本专利技术涉及一种气凝胶纤维及其制备方法和用途，特别是石墨烯气凝胶纤维及其制备方法和用途。
技术介绍
石墨烯气凝胶由于其独特的特性，如超低密度、超弹性和高表面积，引起了极大的关注。它在能源设备、传感器、污染吸附剂和保温材料方面有巨大的潜在应用。目前大多关于石墨烯气凝胶的报道均集中在单个石墨烯气凝胶上，但是实际应用中通常需要收集大量任意形状和大小的石墨烯气凝胶。传统气凝胶的内外均具有孔结构，大量石墨烯气凝胶聚集会发生群体效应，气凝胶易团聚和破碎。石墨烯气凝胶块体可以直接应用于保温材料，吸附剂材料等领域，但是大块状的石墨烯气凝胶在制备过程中存在还原不充分、清洗难度大、干燥时间长等问题，且大块石墨烯气凝胶由于清洗不干净，残留有杂质，易导致石墨烯气凝胶出现缺陷，影响其使用性能。石墨烯气凝胶纤维是一种一维形态的宏观材料，可以将石墨烯气凝胶应用到更广阔的应用场景。CN108587571A公开了一种石墨烯气凝胶纤维，该石墨烯气凝胶纤维具有由石墨烯片层搭接形成的连续的石墨烯三维多孔网络结构，由其作为基础材料制成的石墨烯气凝胶智能相变纤维具有柔韧性和疏水性能和编织性能，但无法具有较高的强度，且无阻热和防火特性。CN108793943A公开了一种氧化石墨烯改性的亲疏水性可调的二氧化硅气凝胶纤维，氧化石墨烯的浓度梯度可以增强不同浓度之间气凝胶的连接，提高其成块性，然而，大块石墨烯气凝胶由于清洗不干净，残留有杂质，易导致石墨烯气凝胶出现缺陷，影响其使用性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的第一个目的在于提供石墨烯气凝胶纤维的制备方法，所得纤维具有较高的拉伸强度。本专利技术的第二个目的在于提供一种石墨烯气凝胶纤维，其导热系数低、防火等级高。本专利技术的第三个目的在于提供一种石墨烯气凝胶纤维在制备隔热材料或防火材料中的用途。一方面，本专利技术提供一种石墨烯气凝胶纤维的制备方法，包括如下步骤：(1)氧化石墨烯纺丝液的制备：将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，将碱性试剂与氧化石墨烯分散液混合得到氧化石墨烯混合液，将水溶性海藻酸盐与氧化石墨烯混合液混合得到氧化石墨烯纺丝液；(2)氧化石墨烯湿纤维的制备：将氧化石墨烯纺丝液挤入凝固浴中，得到氧化石墨烯湿纤维；(3)纤维的还原：将氧化石墨烯湿纤维与还原剂反应，得到石墨烯气凝胶湿纤维；(4)石墨烯气凝胶纤维的制备：将石墨烯气凝胶湿纤维经过冷冻，解冻和干燥，得到石墨烯气凝胶纤维。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(1)中，碱性试剂选自氢氧化钾、氢氧化钠中的一种；氧化石墨烯与碱性试剂的质量比为1～6:1。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(1)中，水溶性海藻酸盐为海藻酸钠。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(1)中，氧化石墨烯与水溶性海藻酸盐的质量比为3～50:1。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(2)中，采用喷丝装置将氧化石墨烯纺丝液挤入凝固浴中，得到氧化石墨烯湿纤维；所述喷丝装置的孔径为1～3mm，所述喷丝装置的喷丝孔与液面的距离为2～5cm，氧化石墨烯纺丝液的挤出速度为30～60ml/min。根据本专利技术的制备方法，优选地，将凝固浴置于旋转装置中，旋转装置的旋转速度为6～10rpm；凝固浴为1～10wt％的CaCl2水溶液。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(3)中，所述还原剂选自浓度为1～20g/L的抗坏血酸盐溶液，反应在60～90℃下进行5～25h。根据本专利技术的制备方法，优选地，步骤(4)中，将石墨烯气凝胶湿纤维在-15～-50℃下冷冻5～25h，然后在15～35℃下解冻，在常压和25～60℃下干燥10～50h，得到石墨烯气凝胶纤维。另一方面，本专利技术提供一种石墨烯气凝胶纤维，由上述制备方法制备得到。再一方面，本专利技术提供石墨烯气凝胶纤维在制备隔热材料或防火材料中的用途。本专利技术利用碱性试剂制备高度有序的氧化石墨烯液晶，结合海藻酸钠的交联能力，然后采用湿法纺丝技术制备石墨烯气凝胶纤维。该气凝胶纤维具有较高的强度。此外，本专利技术的石墨烯气凝胶纤维导热系数低、防火等级高。附图说明图1为石墨烯气凝胶纤维制备装置的示意图。附图标记说明如下：1-喷丝装置；2-氧化石墨烯纺丝液；3-旋转装置；4-凝固浴。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术的石墨烯气凝胶纤维的制备方法，包括如下步骤：(1)制备氧化石墨烯纺丝液步骤；(2)制备氧化石墨烯湿纤维步骤；(3)纤维的还原步骤；(4)制备石墨烯气凝胶纤维步骤。下面进行详细描述。<制备氧化石墨烯纺丝液步骤>将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，将碱性试剂与氧化石墨烯分散液混合得到氧化石墨烯混合液，将水溶性海藻酸盐与氧化石墨烯混合液混合，得到氧化石墨烯纺丝液。在本专利技术中，氧化石墨烯的片径可以为1～50μm；优选为5～35μm；更优选为20～25μm。氧化石墨烯的实例包括但不限于常州第六元素材料科技股份有限公司的氧化石墨烯。将氧化石墨烯配置成分散液，分散液中氧化石墨烯的浓度为2～15mg/ml。优选地，分散液中氧化石墨烯的浓度为2～10mg/ml。更优选地，分散液中氧化石墨烯的浓度为6～8mg/ml。碱性试剂可以是本领域常用的碱金属氢氧化物，可以选自氢氧化钾、氢氧化钠中的一种。根据本专利技术的一个具体的实施方式，碱性试剂为氢氧化钾。氧化石墨烯与碱性试剂的质量比(g/g)为1～6:1，优选为1～5:1，更优选为1.5～2:1。在氧化石墨烯混合液中，碱性试剂的浓度为0.01～0.08mol/L。优选地，碱性试剂的浓度为0.02～0.08mol/L。这样可以使得氧化石墨烯更好地形成均相溶液。氧化石墨烯与水混合之后，可以采用超声分散形成氧化石墨烯分散液。超声分散的时间为5～30min。优选地，超声分散的时间为10～30min。更优选地，超声分散的时间为15～30min。这样可以保证分散液的均匀性。水溶性海藻酸盐可以为海藻酸的碱金属盐，例如海藻酸钠。氧化石墨烯与水溶性海藻酸盐的质量比为3～50:1；优选为5～25:1；更优选为6～10:1。这样可以改善纤维的拉伸强度。<制备氧化石墨烯湿纤维步骤>如图1所示，采用喷丝装置1将氧化石墨烯纺丝液2挤入盛有凝固浴4的旋转装置3中，静置，得到氧化石墨烯湿纤维。在本专利技术中，喷丝装置的孔径为1～3mm，优选为1.5～2mm。喷丝装置的喷丝孔与液面的距离为2～5cm，优选为2.5～3.5cm。氧化石墨烯纺丝液的挤出速度为30～60ml/min，优选为35～50ml/min。这样可以保证氧化石墨烯纺丝液和CaCl2凝固浴充分混合。将凝固浴置于旋转装置中，旋转装置的旋转速度为6～10rpm，优选为7～9rpm。凝固浴为1～10wt％的CaCl2水溶液，优选地，凝固浴为3～7wt％CaCl2水溶液。更优选地，凝固浴为5～6wt％CaCl2水溶液。这样可以使得氧化石墨烯初生纤维充分凝固为氧化石墨烯湿纤维，改善拉伸强度。将挤出的初生纤维在凝固浴中静置一段时间。静置时间可以为10min～1h。优选地，静置时间为30min～1h。这样可以保证氧化石墨烯初生纤维充分凝固。<纤维的还原步骤>将氧化石墨烯湿纤维与还原剂反应，得到石墨烯气凝胶湿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)氧化石墨烯纺丝液的制备：将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，将碱性试剂与氧化石墨烯分散液混合得到氧化石墨烯混合液，将水溶性海藻酸盐与氧化石墨烯混合液混合得到氧化石墨烯纺丝液；(2)氧化石墨烯湿纤维的制备：将氧化石墨烯纺丝液挤入凝固浴中，得到氧化石墨烯湿纤维；(3)纤维的还原：将氧化石墨烯湿纤维与还原剂反应，得到石墨烯气凝胶湿纤维；(4)石墨烯气凝胶纤维的制备：将石墨烯气凝胶湿纤维经过冷冻，解冻和干燥，得到石墨烯气凝胶纤维。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)氧化石墨烯纺丝液的制备：将氧化石墨烯与水混合形成氧化石墨烯分散液，将碱性试剂与氧化石墨烯分散液混合得到氧化石墨烯混合液，将水溶性海藻酸盐与氧化石墨烯混合液混合得到氧化石墨烯纺丝液；(2)氧化石墨烯湿纤维的制备：将氧化石墨烯纺丝液挤入凝固浴中，得到氧化石墨烯湿纤维；(3)纤维的还原：将氧化石墨烯湿纤维与还原剂反应，得到石墨烯气凝胶湿纤维；(4)石墨烯气凝胶纤维的制备：将石墨烯气凝胶湿纤维经过冷冻，解冻和干燥，得到石墨烯气凝胶纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，碱性试剂选自氢氧化钾、氢氧化钠中的一种；氧化石墨烯与碱性试剂的质量比为1～6:1。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，水溶性海藻酸盐为海藻酸钠。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，氧化石墨烯与水溶性海藻酸盐的质量比为3～50:1。5.根据权利要求1所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：童裳慧，
申请(专利权)人：中素新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11